任务三 电磁波测距
电磁波测距（简称EDM）是用电磁波（光波或微波）作为载波传输测距信号直接测量两点间距离的一种方法。与传统的钢尺量距和视距测量相比，EDM具有测程长、精度高、作业快、工作强度低、几乎不受地形限制等优点。
电磁波测距仪按测程分为短程测距仪（小于10km）、中程测距仪（10～25km）和远程测距仪（大于25km）。按测距精度来分，有Ⅰ级（小于5mm）、Ⅱ级（5～10mm）和Ⅲ级（大于10mm）。按载波可分为：用微波段的无线电波作为载波的微波测距仪；用激光作为载波的激光测距仪；用红外光作为载波的红外测距仪，后两者又统称为光电测距仪。微波和激光测距仪多属于长程测距，测程可达60km，一般用于大地测量，而红外测距仪属于正、短程测距仪（测程为15km以下），一般用于小区域控制测量、地形测量、地籍测量和工程测量等。按测定时间的方式分为直接测定时间的脉冲式测距仪和间接测定时间的相位式测距仪。按基本功能的类型有以下几种。专用型：只用于测量距离；半站型：测距仪与光学经纬仪组合在一起，称为半站型仪器；全站型：测距仪与光电经纬仪组合的仪器，或者测距仪与光电经纬仪结合为一体化仪器，称为全站型仪器，简称全站仪。
本任务主要介绍光电测距仪的基本原理和测距方法。
一、光电测距仪的基本原理
如图4-15所示，欲测定A、B两点间的距离D，安置仪器于A点，安置反射镜于B点。仪器发射的光束由A至B，经反射镜反射后又返回到仪器。设光速c为已知，如果光束在待测距离D上往返传播的时间已知为t。则距离D可由下式求出：
其中
c=c0／n
式中 c0——真空中的光速值，其值为299792458m／s；
n——大气折射率（n≥1），它与测距仪所用光源的波长、测线上的气温t、气压P和湿度e有关。
由式（4-17）可知，距离D的精度，主要取决于时间t和光速c的测定精度。光速值已能精确获得，而时间t可按脉冲法和相位法两种方法确定。例如要求保证±1cm的测距精度，时间测定要求准确到6.7×10-11s，这是难以做到的。因此，大多采用间接测定法来测距。
图4-15 光电测距原理图
1.脉冲式测距
脉冲法测距是直接测量光波传播的时间，即由测距仪的发射系统发出光脉冲，经被测目标反射后，再由测距仪的接收系统接收，测出这一光脉冲往返所需时间间隔的钟脉冲的个数以求得距离D。由于计数器的频率一般为300MHz，测距精度为0.5m，精度较低。
目前的脉冲式测距仪，一般用固体激光器作光源，能发射出高频率的光脉冲，因而这类仪器可以不用合作目标（如反射器），直接用被测目标对光脉冲产生的漫反射进行测距，在地形测量中可实现无人跑尺，从而减轻劳动强度，提高作业效率，特别是在悬崖陡壁的地方进行地形测量，此种仪器更具有实用意义，现已普遍使用。
2.相位式测距
它由测距仪的发射系统发出一种连续的调制光波，测出该调制光波在测线上往返传播所产生的相位移φ来间接测定传播时间t，从而求得被测距离D。红外光电测距仪就是典型的相位式测距仪。以往工程测量中使用的测距仪几乎都是相位式测距。
将调制光波的往程和返程展开，则有如图4-16所示的波形。
设调制波的调制频率为f，它的周期
，相应的调制波长
。由图4-13可知，调制波往返于测线传播过程所产生的总相位变化Φ中，包括N个整周变化N·2π和不足一周的相位余数Δφ，即
图4-16 相位式测距基本原理
根据相位φ和时间t的关系式φ=ωt，其中ω为角频率，则
将上式代入式（4-17）中，得
式中 L——测尺长度，
；
N——整周数；
ΔN——不足一周的余数，
。
由此可以看出，这种测距方法同钢尺量距相类似，用一把长度为λ 2的“光尺”来丈量距离，式中N为整尺段数，而
等于ΔL为不足一尺段的余长，则
式中 c，f，L——已知值；
ΔΦ，ΔN或ΔL——测定值。
ΔN或ΔL和N的测算方法有可变频率法和固定频率法。在此就不讨论了。
相位法测距相当于用“光尺”代替钢尺量距，λ 2为光尺长度。相位式测距仪中，相位计只能测出相位差的尾数ΔN，测不出整周期数N，因此对大于光尺的距离无法测定。为了扩大测程，应选择较长的光尺。为了解决扩大测程与保证精度的矛盾，短程测距仪上一般采用两个调制频率，即两种光尺。例如：长光尺（称为粗尺）f1=150kHz，λ1/2=1000m，用于扩大测程，测定百米、十米和米；短光尺（称为精尺）f2=15MHz，λ2/2=10m，用于保证精度，测定米、分米、厘米和毫米。
综上所述，当待测距离较长时，为了既保证必需的测距精度又满足测程的要求，在考虑到仪器的测相精度为千分之一的情况下，我们可以在测距仪中设置几把不同的测尺频率，即相当于设置了几把长度不同、最小分划值也不相同的“尺子”，用它们同测某段距离，然后将各自所测的结果组合起来，就可得到单一的、精确的距离值。
二、D3000系列红外测距仪简介
D3000系列测距仪是常州大地测距仪厂的荣誉产品，工艺成熟，质量稳定可靠，是国产测距仪的主要产品。如图4-17所示。
图4-17 D3000红外测距仪
（一）D3000系列的主要技术指标
（1）测程。
（2）精度。
式中 mD——测距中误差，mm；
A——固定误差，mm；
B——比例误差；
D——距离，km。
D3000系列测距精度为
mD=±（5+5×10-6D）和mD=±（3+2×10-6D）
（3）分辨率：1mm。
（4）显示：位液晶显示器（最大显示距离9999.99m）。
（5）测量方式：单次﹑连续﹑平均﹑跟踪﹑平距﹑高差﹑坐标﹑预置放样。
（6）测量时间：连续3s﹑跟踪0.8s。
（7）光源：红外发光二极管。
（8）电源：镍—镉电池，装卸式6V，1.2A/h，充电时间14h。
（9）照准望远镜：13倍，正像，视场角1.5°。
（10）功耗：小于3.6W（6VDC）。
（11）环境温度：-20～+50℃。
（12）体积：185mm×124mm×81mm。
（13）主机重量：1.6kg。
仪器部分参数说明如下。
发射频率：
F精=14835546Hz
F粗1=146886Hz
F粗2=149854Hz
发射光波长：
λ=0.865μm
仪器标准气象条件（即仪器气象修正值为0时气象条件）：气压：1013mbar，温度：15℃
仪器气象修正值计算公式：
D=278.96-0.2904P/（1+0.003661T）
式中 D——修正值单位，×10-6；
P——气压单位，hPa；
T——温度，℃。
若使用的气压的单位是mmHg时可换算hPa。
换算公式：1hPa=0.75mmHg。
（二）结构与性能
1.主机
如图4-17所示，主机有发射、接收物镜、显示器和键盘。该测距仪主机可通过连接器安置在普通光学经纬仪或电子经纬仪上。利用光轴调节螺旋，可使测距仪主机的光轴与经纬仪视准轴位于同一个竖直面内。同时，测距仪水平轴到经纬仪水平轴的高度与觇牌中心到反射镜的高度相同，因此经纬仪瞄准觇牌中心的视线与测距仪瞄准反射棱镜中心的视线能保持平行。
2.反射镜
反射镜按其镜数的多少分为单棱镜、三棱镜和九棱镜，图4-17为单棱镜。通常距离在1500m以内选用单棱镜，若距离超过1500m但小于2500m则选用三棱镜，棱镜安置在三脚架上，利用光学对中器和水准管进行对中和整平。
三、距离测量的步骤
（1）先在测站上将电子经纬仪对中整平，将电子经纬仪初始设置到D3000的位置上。
（2）取出D3000系列测距仪，安装电池，把测距仪装载在经纬仪的支柱上。
（3）用CE-201N电缆联接测距仪和电子经纬仪。
CE-201N联机时需插到位，且联接电子经纬仪盘左时的物镜斜下方接口。
（4）镜站安装好反射棱镜。
（5）照准目标。经纬仪照准觇牌中心。测距仪照准反射棱镜中心，如图4-18所示。
（6）测距准备。按电源开关键PWR开机，主机自检并显示原设定的温度、气压和棱镜常数值。需输入此时此地新的温度、气压和棱镜常数值。
（7）距离测量。按距离测量键进行测量。
四、测距仪使用注意事项
图4-18 照准棱镜示意图
（1）不准将测距仪物镜对准太阳或其他强光源，以免损坏测距仪内感光元件。
（2）气象条件对光电测距影响较大，无风的阴天是观测的良好时机。
（3）测线应尽量离开地面障碍物1.3m以上，避免通过发热体和较宽水面的上空。
（4）测线应避开强电磁场干扰的地方，例如测线不宜接近变压器、高压线等。
（5）镜站的后面不应有反光镜和其他强光源等背景的干扰。
（6）注意爱护仪器，防止仪器受日晒雨淋，阳光下或雨天观测应撑伞保护仪器。
（7）如出现电压报警，注意及时更换电池。测距完毕后应立即关机，换站时应断电后再搬仪器。